Cơ chế nhân ngược dòng tạo ra khoảng kẽ tủy thận tăng thẩm thấu
Tóm tắt cơ chế cô đặc nước tiểu và các sự thay đổi trong nồng độ thẩm thấu trong các đoạn ống thận khác nhau
Các sự thay đổi trong nồng độ thẩm thấu và thể tích của dịch ống thận khi nó đi qua các phần khác nhau của nephron được thể hiện trong Hình 1.
Ống lượn gần. Khoảng 65% của hầu hết các chất điện giải được lọc thì được tái hấp thu trong ống lượn gần. Tuy nhiên, các màng ống lượn gần thì thấm mạnh với nước, vì thế, bất cứ khi nào các chất tan được tái hấp thu, nước cũng sẽ khuếch thận qua màng ống thận bởi sự thẩm thấu. Sự khuếch tán của nước qua biểu mô ống thận được hỗ trợ bởi kênh nước aquaporin 1 (AQP-1). Vì thế, nồng độ thẩm thấu của dịch vẫn gần giống như dịch lọc cầu thận – 300 mOsm/L.
Nhánh xuống quai Henle. Khi dịch chảy xuống nhánh xuống quai Henle thì nước đươc hấp thu vào trong vùng tủy. Nhánh xuống cũng chứa AQP-1 và có tính thấm cao với nước nhưng ít thấm hơn nhiều với chloride và urea. Vì thế, nồng độ thẩm thấu của dịch chảy qua nhánh xuống dần dần tăng cho đến khi nó gần bằng với nồng độ thẩm thấu của dịch kẽ xung quanh, nghĩa là khoảng 1200 mOsm/L khi nồng độ ADH trong máu cao.
Khi nước tiểu loãng đang được hình thành thành, do kết quả của các nồng độ ADH thấp, nồng độ thẩm thấu tủy thận thì ít hơn 1200 mOsm/L; kết quả, nồng độ thẩm thấu của dịch ống thận trong nhánh xuống cũng trở nên ít đặc hơn. Sự giảm này trong nồng độ một phần là do ít urea được hấp thu vào trong khoảng kẽ tủy thận hơn từ các ống thu thập khi các mức ADH thấp và thận đang hình thành một thể tích lớn nước tiểu loãng.
Nhánh lên mỏng quai Henle. Nhánh lên mỏng về bản chất là không thấm với nước nhưng tái hấp thu natri chloride. Do nồng độ cao của natri chloride trong dịch ống thận do sự loại bỏ nước khỏi nhánh xuống của quai Henle nên có một ít sự khuếch tán thụ động natri chloride từ nhánh lên mỏng vào trong khoảng kẽ tủy thận. Vì thế, dịch ống thận trở nên loãng hơn khi natri chloride khuếch tán ra khỏi ống thận và nước vẫn ở trong ống thận.
Một ít urea được hấp thu vào trong khoảng kẽ tủy thận từ các ống thu thập cũng khuếch tán vào trong nhánh lên, bằng cách đó, đưa urea đến hệ thống ống thận và giúp ngăn cản sự mất đi của nó khỏi tủy thận. Sự tái tuần hoàn của urea này là một cơ chế bổ sung đóng góp vào tủy thận tăng thẩm thấu.
Nhánh lên dày của quai Henle. Phần dày của nhánh lên quai Henle cũng hầu như không thấm với nước nhưng các lượng lớn natri, chloride, kali và các ion khác được vận chuyển một cách chủ động từ ống thận vào trong khoảng kẽ tủy thận. Vì thế, dịch trong nhánh lên dày của quai Henle trở nên rất loãng, giảm xuống một nồng độ khoảng 140 mOsm/L.
Đoạn đầu ống lượn xa. Đoạn đầu ống lượn xa có các đặc tính tương tự với nhánh lên dày của quai Henle, vì thế, sự pha loãng nhiều hơn nữa của dịch ống thận đến khoảng 100 mOsm/L xảy ra khi các chất tan được tái hấp thu đồng thời nước vẫn ở trong ống thận.
Đoạn cuối ống lượn xa và các vi ống thu thập vỏ. Trong doạn cuối ống lượn xa và các vi ống thu thập vỏ thì nồng độ thẩm thấu của dịch phụ thuộc vào mức ADH. Với các mức ADH cao, các vi ống này thì thấm mạnh với nước và các lượng nước đáng kể được tái hấp thu. Tuy nhiên, urea thì không quá thấm trong phần này của nephron, làm cho nồng độ urea tăng khi nước được tái hấp thu. Quá trình này cho phép hầu hết urea được vận chuyển đến ống lượn xa và vi ống thu thập đi vào trong các ống thu thập tủy trong, mà từ đó, nó cuối cùng sẽ được tái hấp thu hoặc được bài tiết trong nước tiểu. Trong sự vắng mặt của ADH, ít nước được tái hấp thu trong ống lượn xa và vi ống thu thập vỏ; vì thế, nồng độ thẩm thấu giảm thậm chí nhiều hơn do sự tái hấp thu chủ động liên tục của các ions từ các đoạn ống này.
Các ống thu thập tủy trong. Nồng độ của dịch trong các ống thu thập tủy trong cũng phụ thuộc vào các yếu tố sau: (1) ADH; và (2) nồng độ thẩm thấu của khoảng kẽ tủy thận xung quanh được thiết lập bởi cơ chế ngược dòng. Trong sự có mặt của các lượng lớn ADH, các ống này thì thấm mạnh với nước và nước khuếch tán từ ống thận vào trong dịch kẽ cho đến khi cân bằng thẩm thấu được đạt đến, với dịch ống thận có gần cùng nồng độ với khoảng kẽ tủy thận (1200 – 1400 mOsm/L). Vì thế, một thể tích nhỏ nước tiểu cô đặc được sản xuất khi các mức ADH cao. Bởi vì sự tái hấp thu nước làm tăng nồng độ urea trong dịch ống thận và bởi vì các ống thu thập tủy thận có các chất vận chuyển urea chuyên biệt mà tạo điều kiện mạnh cho sự khuếch tán nên nhiều urea được cô đặc mạnh trong các ống khuếch tán ra khỏi lòng ống vào trong khoảng kẽ tủy thận. Sự hấp thu này của urea vào trong tủy thận đóng góp vào nồng độ thẩm thấu cao của khoảng kẽ tủy thận và khả năng cô đặc mạnh của thận.
Một số điểm quan trọng cần được quan tâm mà có thể không rõ ràng từ sự bàn luận này. Đầu tiên, mặc dù natri chloride là một trong số các chất tan chính mà đóng góp vào tăng nồng độ thẩm thấu của khoảng kẽ tủy thận nhưng thận có thể, khi cần, bài tiết một nước tiểu được cô đặc nhiều mà chứa ít natri chloride. Sự tăng nồng độ thẩm thấu của nước tiểu trong các trường hợp này là do các nồng độ cao của các chất tan khác, đặc biệt là các sản phẩm thải như urea. Một tình trạng mà trong đó điều này xảy ra là mất nước được kèm theo bởi lượng natri ăn vào thấp. Như được bàn đến trong các loạt bài viết tiếp theo, một sự hấp thu thấp natri kích thích sự hình thành của các hormone angiotensin II và aldosterone, mà cùng nhau gây ra sự tái hấp thu natri một cách mạnh mẽ từ các ống thận đồng thời để urea và các chất tan khác ở lại để duy trì nước cô đặc mạnh.
Thứ hai, các lượng lớn nước tiểu loãng có thể được bài tiết mà không làm tăng sự bài tiết natri. Hoạt động này được kèm theo bởi sự giảm sự bài tiết ADH, điều mà làm giảm sự tái hấp thu nước trong các đoạn ống thận xa mà không làm thay đổi đáng kể sự tái hấp thu natri.
Cuối cùng, có một thể tích nước tiểu bắt buộc (obligatory urine volume) được phản ánh bởi khả năng cô đặc tối đa của thận và lượng chất tan mà phải được bài tiết. vì thế, nếu các lượng lớn chất tan phải được bài tiết, chúng phải được kèm theo bởi lượng nước tối thiểu cần để bài tiết chúng. Ví dụ, nếu 600 milliosmoles chất tan phải được bài tiết mỗi ngày thì điều này yêu cầu tối thiểu 0.5 lít nước tiểu nếu như khả năng cô đặc nước tiểu tối đa là 1200 mOsm/L.
Định lượng sự cô đặc và pha loãng nước tiểu: nước tự do và độ thanh thải thẩm thấu
Quá trình cô đặc hoặc pha loãng nước tiểu cần các thận bài tiết nước và các chất tan hơi độc lập so với nhau. Khi nước tiểu được pha loãng, nước được bài tiết nhiều hơn so với các chất tan. Ngược lại, khi nước tiểu được cô đặc, các chất tan được bài tiết nhiều hơn so với nước.
Tổng độ thanh thải các chất tan khỏi máu có thể được gọi là độ thanh thải thẩm thấu (osmolar clearance – Cosm). Đây là thể tích huyết tương được thanh thải các chất tan mỗi phút, giống như cách độ thanh thải của một chất được tích toán:
Cosm = (Uosm x V’)/Posm
trong đó Uosm là nồng độ thẩm thấu của nước tiểu, V’ là mức lưu lượng nước tiểu và Posm là nồng độ thẩm thấu huyết tương. Ví dụ, nếu như nồng độ thẩm thấu huyết tương là 300 mOsm/L, nồng độ thẩm thấu nước tiểu là 600 mOsm/L và mức lưu lượng nước tiểu là 1 ml/phút (0.001 L/phút), thì mức bài tiết thẩm thấu là 0.6 mOsm/L (600 mOsm/L x 0.001 L/phút) và độ thanh thải thẩm thấu là 0.6 mOsm/phút chia cho 300 mOsm/L, hay 0.002 L/phút (2.0 ml/phút). Điều này có nghĩa là 2 milliliters huyết tương được thanh thải chất tan mỗi phút.
Độ thanh thải nước tự do – các mức tương đối mà ở đó các chất tan và nước được bài tiết
Độ thanh thải nước tự do (CH2O) được tính toán dưới dạng sự chênh lệch giữa mức nước bài tiết (mức lưu lượng nước tiểu) và độ thanh thải thẩm thấu:
CH2O = V – Cosm = V – (Uosm x V’)/Posm
Vì thế, mức độ thanh thải nước tự do biểu diễn cho mức độ mà ở đó nước không có chất tan được bài tiết bởi các thận. Khi độ thanh thải nước tự do là dương thì lượng nước dư được bài tiết bởi các thận; khi độ thanh thải nước tự do là âm thì các lượng chất tan dư được loại bỏ khỏi cơ thể bởi các thận và nước được bảo toàn.
Sử dụng ví dụ đã được bàn đến ở trên, nếu như mức lưu lượng nước tiểu là 1 ml/phút và độ thanh thải thẩm thấu là 2 ml/phút thì độ thanh thải nước từ do sẽ là -1 ml/phút. Điều này có nghĩa là thay vì nước được loại bởi khỏi các thận nhiều hơn chất tan thì các thận thực sự đang đưa nước quay trở lại tuần hoàn hệ thống, như xảy ra trong suốt các tình trạng thiếu hụt nước. Vì thế, bất cứ khi nào nồng độ thẩm thấu nước tiểu lớn hơn nồng độ thẩm thấu huyết tương thì độ thanh thải nước tự do là âm, cho thấy sự bảo toàn nước.
Khi các thận đang hình thành nên nước tiểu loãng (nghĩa là nồng độ thẩm thấu nước tiểu nhỏ hơn nồng độ thẩm thấu huyết tương) thì độ thanh thải nước tự do sẽ là một giá trị dương, cho thấy rằng nước được loại bỏ khỏi huyết tương bởi các thận nhiều hơn so với các chất tan. Vì thế, nước không có chứa các chất tan, được gọi là nước tự do (free water), thì đang bị mất khỏi cơ thể và huyết tương đang được cô đặc khi độ thanh thải nước tự do là dương.
Các rối loạn trong khả năng cô đặc nước tiểu
Sự suy giảm trong khả năng của các thận trong việc cô đặc hoặc pha loãng nước tiểu một cách thích hợp có thể xảy ra bởi một hoặc nhiều các bất thường sau đây:
1. Sự bài tiết không thích hợp của ADH. Hoặc quá nhiều hoặc quá ít sự bài tiết ADH gây ra sự bài tiết nước bất tương bởi các thận.
2. Sự suy giảm của cơ chế ngược dòng. Một khoảng kẽ tủy thận tăng thẩm thấu thì cần cho khả năng cô đặc nước tiểu. Bất kể là bao nhiêu ADH có mặt, sự cô đặc nước tiểu tối đa thì bị giới hạn bởi mức độ tăng thẩm thấu của khoảng kẽ tủy thận.
3. Sự mất khả năng của các ống lượn xa, các vi ống thu thập và các ống thu thập trong đáp ứng với ADH.
Mất khả năng sản xuất ADH: Đái tháo nhạt trung ương. Một sự mất khả năng sản xuất hoặc bài tiết ADH từ thùy sau tuyến yên có thể được gây ra bởi tổn thương hoặc các nhiễm khuẩn vùng đầu, hoặc nó có thể là bẩm sinh. Bởi vì các đoạn ống lượn xa không thể tái hấp thu nước trong sự vắng mặt của ADH nên tình trạng này được gọi là đái tháo nhạt trung ương (central diabetes insipidus), gây ra sự hình thành của một thể tích nước tiểu loãng lớn, với các thể tích nước tiểu mà có thể nhiều hơn 15 L/ngày. Các cơ chế khát, được nói đến trong phần sau, sẽ được hoạt hóa khi quá nhiều nước bị mất khỏi cơ thể; vì thế, miễn là một người uống đủ nước thì các sự giảm nhiều của nước trong dịch cơ thể sẽ không xảy ra. Bất thường được quan sát thấy chủ yếu trên lâm sàng ở những người mắc tình trạng này là thể tích nước tiểu loãng lớn. Tuy nhiên, nếu như nước uống vào bị hạn chế, như có thể xảy ra trong một môi trường bệnh viện khi lượng dịch hấp thu bị hạn chế hoặc bệnh nhân không tỉnh táo (như do chấn thương vùng đầu) thì mất nước nặng có thể nhanh chóng xảy ra.
Điều trị cho đái tháo nhạt trung ương là sử dụng chất tổng hợp tương tự ADH, desmopressin, tác động chọn lọc trên các thụ cảm thể V2 để làm tăng tính thấm của nước trong ống lượn xa và vi ống thu thập. Desmopressin có thể được sử dụng bằng đường tiêm, cũng như là xịt mũi hoặc uống và nó nhanh chóng phục hồi thể tích nước tiểu về mức bình thường.
Sự mất khả năng của các thận trong đáp ứng với ADH: Đái tháo nhạt do thận. Trong một số trường hợp, các mức bình thường hoặc tăng lên của ADH thì xuất hiện nhưng các đoạn ống thận không thể đáp ứng một cách thích hợp. Tình trạng này được gọi là đái tháo nhạt do thận (nephrogenic diabetes insipidus) bởi vì sự bất thường khu trú ở các thận. Tình trạng bất thường này có thể là do sự mất cơ chế ngược dòng để hình thành nên một khoảng kẽ tủy thận tăng thẩm thấu hoặc mất khả năng của ống lượn xa, vi ống thu thập và ống thu thập trong đáp ứng với ADH. Trong cả hai trường hợp, các thể tích lớn của nước tiểu loãng được hình thành, điều mà gây ra sự mất nước nếu như lượng dịch hấp thu không được tăng lên tương đương với lượng thể tích nước tiểu tăng lên.
Nhiều loại bệnh thận có thể làm giảm cơ chế cô đặc; đặc biệt là các bệnh mà làm tổn thương tủy thận (xem các loạt bài viết tiếp theo để nhìn nhận rõ hơn). Ngoài ra, sự suy giảm trong chức năng của quai Henle, như xảy ra đối với các thuốc lợi tiểu mà ức chế sự tái hấp thu chất điện giải bởi đoạn này, như furosemide, có thể làm giảm khả năng cô đặc nước tiểu. Hơn thế nữa, các thuốc nhất định như lithium (được sử dụng để điều trị các rối loạn lưỡng cực) và tetracyclines (được sử dụng như là kháng sinh) có thể làm giảm khả năng của các đoạn ống lượn xa trong đáp ứng với ADH.
Đái tháo nhạt do thận có thể được phân biệt với đái tháo nhạt trung ương bằng cách sử dụng desmopressin, chất tổng hợp tương tự của ADH. Thiếu đi sự giảm rõ ràng trong thể tích nước tiểu và sự tăng lên rõ ràng trong nồng độ thẩm thấu nước tiểu trong vòng 2 giờ sau khi tiêm desmopressin thì chỉ điểm rõ ràng là đái tháo nhạt do thận. Sự điều trị thích hợp của đái tháo nhạt do thận là chữa trị, nếu có thể, các rối loạn thận nền. Tăng natri máu cũng có thể được giảm nhẹ bởi một chế độ ăn ít natri và sử dụng một thuốc lợi niệu là tăng cường sự bài tiết natri của thận, như lợi niệu thiazide.
Sự kiểm soát nồng độ thẩm thấu và nồng độ natri dịch ngoại bào
Sự điều hòa nồng độ thẩm thấu và nồng độ natri dịch ngoại bào thì có liên quan chặt chẽ bởi vì natri là ion dồi dào nhất trong thành phần dịch ngoại bào. Nồng độ natri huyết tương bình thường được điều hòa trong giới hạn hẹp là 140 đến 145 mEq/L, với một nồng độ trung bình là khoảng 142 mEq/L. Nồng độ thẩm thấu trung bình là khoảng 300 mOsm/L (khoảng 282 mOsm/L khi hiệu chỉnh đối với lực hút giữa các ion) và hiếm khi thay đổi nhiều hơn 2% đến 3%. Như được nói đến trong các bài viết trước, các biến số này phải được kiểm soát chính xác bởi vì chúng xác định sự phân bố của dịch giữa các thành phần nội bào và ngoại bào.
Ước tính nồng độ thẩm thấu huyết tương từ nồng độ natri huyết tương
Trong hầu hết các xét nghiệm lâm sàng, nồng độ thẩm thấu huyết tương thì không được đo một cách thường xuyên. Tuy nhiên, bởi vì natri và các aninon liên kết của nó chiếm khoảng 94% chất tan trong thành phần dịch ngoại bào nên nồng độ thẩm thấu huyết tương (Posm) có thể được ước tính xấp xỉ từ nồng độ natri huyết tương (PNa+) như sau:
Posm = 2.1 x PNa+ (mmol/L)
Ví dụ, với một độ natri huyết tương là 142 mEq/L, nồng độ thẩm thấu huyết tương sẽ được ước tính từ công thức này là khoảng 298 mOsm/L. Để chính xác hơn, đặc biệt là trong các tình trạng liên quan với bệnh thận, sự đóng góp trong nồng độ huyết tương (ở đơn vị mmol/L) của hai chất tan khác, là glucose và urea, thường được thêm vào:
Posm = 2 x [PNa+,mmol/L] + [Pglucose,mmol/L] + [Purea,mmol/L]
Những sự ước tính nồng độ thẩm thấu huyết tương như vậy thường chính xác trong khoảng một vài phần trăm so với việc đo trực tiếp.
Bình thường, ion natri và các anion liên quan (chủ yếu là bicarbonate và chloride) đại diện cho khoảng 94% osmoles ngoại bào, cùng với glucose và urea đóng góp khoảng 3% đến 5% của tổng osmoles. Tuy nhiên, bởi vì urea dễ dàng thấm qua hầu hết màng tế bào nên nó thực hiện ít tác động thẩm thấu hữu hiệu dưới các điều kiện ổn định. Vì thế, ion natri trong dịch ngoại bào và các anion liên quan là các yếu tố quyết định chính của sự di chuyển của dịch qua màng tế bào. Kết quả, chúng ta có thể bàn đến sự kiểm soát nồng độ thẩm thấu và sự kiểm soát nồng độ ion natri cùng lúc.
Mặc dù nhiều cơ chế kiểm soát lượng natri và nước được bài tiết bởi các thận nhưng hai hệ thống chính mà đặc biệt liên quan trong điều hòa nồng độ natri và nồng độ thẩm thấu của dịch ngoại bào: (1) hệ thống thụ cảm thể thẩm thấu-ADH (osmoreceptor-ADH); và (2) cơ chế khát.
Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!
